DE102005044030B4 - Verfahren und Einrichtung zur Ionisationsmessung bei Verbrennungskraftmaschinen mit Unterdrückung der Zündrestspannung - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Erfassen verbrennungsrelevanter Größen in der Verbrennungsphase einer Verbrennungskraftmaschine mittels einer mit einem Zündimpuls beaufschlagten Zündelektrode, mit einem Ionisationsmesskreis und zur Ionisationsmessung mit einer wenigstens im Anschluss an die Zündung an die Zündelektrode angelegten Messspannung, wobei der Ionisationsmesskreis (30) zwischen dem Zündspannung führenden Anschluss (1c) der Sekundärseite (1b) des Zündtransformators (1) und der Zündelektrode (2) geschaltet ist und zwischen einem Bezugspotential (9) und einem dem Bezugspotential (9) zugeordneten Anschluss (1d) der Sekundärseite (1b) des Zündtransformators (1) ein elektronischer Schalter (14) geschaltet ist, der durch eine Steuereinheit (12) während eines Zündimpulses zur Weiterleitung eines Zündsignals leitend geschaltet wird und zumindest während der Ionisationsmessphase sperrend geschaltet wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen verbrennungsrelevanter Größen in der Verbrennungsphase einer Verbrennungskraftmaschine mittels einer mit einem Zündimpuls beaufschlagten Zündelektrode, mit einem Ionisationsmesskreis und zur Ionisationsmessung mit wenigstens einer im Anschluss an die Zündung an die Zündelektrode angelegten Meßspannung, einer Schaltung zur Erfassung verbrennungsrelevanter Größen einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Ionisationsmesseinrichtung, und mindestens einem Ionisationsmesswiderstand, der an einen Messpannungsspeicherkreis geschaltet ist oder einem Zündtransformator mit einer Schaltung zur Erfassung verbrennungsrelevanter Größen einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Ionisationsmesseinrichtung, und mindestens einem Ionisationsmesswiderstand, der an einen Messpannungsspeicherkreis geschaltet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaltung zum Erfassen verbrennungsrelevanter Größen in der Verbrennungsphase einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, mittels einer mit dem Zündimpuls beaufschlagten Zündelektrode, mit einem Ionisationsmesskreis, bestehend aus wenigstens einer Messspannungs-Speichereinheit und wenigstens einem Messwiderstand, und ein Verfahren zur Ermittlung verbrennungsrelevanter Größen eines Verbrennungsprozesses bei Verbrennungskraftmaschinen, bei denen einzelne Verbrennungsvorgänge durch einen Zündimpuls gestartet werden und die verbrennungsrelevanten Größen in Abhängigkeit eines durch einen Funken bedingten Ionisationssignals ermittelt werden.
- Hiermit wird ein Ionisationssignal durch Anlegen einer Messspannung an die Zündelektrode gewonnen, wobei die Messspannung im Betrag kleiner als die Zündspannung ist und die im Anschluß an den Zündimpuls auftretende Restspannung der Zündspannung unterdrückt wird.
- Ein Verfahren und eine Schaltung zum Erfassen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Verbrennungsanlage ist in der
DE 198 39 868 C1 beschrieben. Hierbei wird folgend auf den Zündimpuls eine elektrische Messspannung in Form eines Prüfimpulses an die Zündelektrode gelegt. Aus der Beeinflussung des Prüfimpulses infolge der jeweiligen Ionisation wird ein Ionisationssignal abgeleitet, welches zur Bestimmung von Verbrennungsparametern, insbesondere der Luftzahl der Verbrennung genutzt wird. - Weitere Verfahren sind in
EP 0 801 226 A2 undDE 196 49 278 A1 beschrieben. - Aufgabe der Erfindung ist es, die Erfaßbarkeit des Ionisationssignals weiter zu verbessern und eine hohe Reproduzierbarkeit des Ionenstromsignals zu erhalten.
- Gelöst ist obige Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1, 4, 11, 12 oder 20. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gegeben. Bei einem Verfahren ist der Ionisationsmesskreis zwischen dem Zündspannung führenden Anschluss
1c der Sekundärseite des Zündtransformators und der Zündelektrode geschaltet und zwischen dem Bezugspotential und der dem Bezugspotential zugeordneten Anschluss der Sekundärseite des Zündtransformators ein elektronischer Schalter geschaltet, der durch eine Steuereinheit während des Zündimpulses zur Weiterleitung des Zündsignals leitend geschaltet wird und zumindest während der Ionisationsmessphase sperrend geschaltet ist, bei einer Schaltung ist der Messspannungsspeicherkreis zwischen dem Zündspannung führenden Anschluss der Sekundärseite des Zündtransformators und der Zündelektrode geschaltet, und ein elektronischer Schalter ist zwischen einem Bezugspotential und einem dem Bezugspotential zugeordneten Anschluss der Sekundärseite des Zündtransformators geschaltet, und bei einem Zündtransformator ist die Schaltung in diesen Zündtransformator integriert, bei einer Schaltung ist der Ionisationsmesskreis an die Zündelektrode angeschaltet und über Entkopplungsmittel vom Zündtrafo entkoppelt, und bei einem Verfahren wird in der Zündphase mit einem Zündstrom ein Spannungspotential in einer Messspannungs-Speichereinheit aufgebaut, und das Spannungspotential liegt in wenigstens einer Messphase über einem Messwiderstand an einer Zündelektrode an, wobei die Zündspannung bei Unterschreiten einer Schwellspannung von der Messspannungs-Speichereinheit oder dem Messwiderstand entkoppelt ist. - Mit dem elektronischen Schalter, der während des Zündimpulses zur Weiterleitung des Zündsignals leitend geschaltet wird und im Anschluss an den Zündimpuls zur Ionisationsmessung sperrend geschaltet wird, ist die Zündrestspannung vom Ionisationsmesskreis entkoppelt. Dieser Schalter wird von einer Zündsteuerungseinheit angesteuert, die den Ablauf der Zündung steuert.
- In vorteilhafter Weise läßt sich das Verfahren auch im Zusammenspiel mit einer Zündfunkensteuerung betreiben. Die Zündspannungssteuereinheit steuert dabei die Abschaltung des Zündimpulses nach vorbestimmter Dauer, indem die Primärwicklung des Zündtransformators durch einen Kurzschluss nierderimpedant belastet wird. Die sich beim Abbau der Restenergie des Zündtrafos einstellende Spannung auf der Sekundärseite des Zündtransformators wird durch den gesperrten elektronischen Schalter nicht an den Ionisationsmesskreis weitergeleitet.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung:
-
1 : Schaltbild mit Restspannungsunterdrückung -
2 : Schaltbild mit Funkensteuerung -
3 : Schaltung - In
1 ist ein Anschluss11 gezeigt, der die Schaltung zur Zündung und Ionisationsmessung mit der Motorsteuerelektronik verbindet. Der Anschluss11a ist mit der positiven Versorgungsspannung, Anschluß11c mit dem Massepotential und Anschluss11b mit der Steuerleitung für die Zündimpulsauslösung verbunden. Die Zündsteuereinheit12 ist an den Anschluss11 angeschaltet und formt das Signal für die Ansteuerung des Leistungshalbleiters13 , der die Primärwicklung1a des Zündtransformators1 über die Pfade10 und9 an die Versorgungsspannung schaltet. Schaltet die Zündsteuereinheit12 den Leistungshalbleiter13 wieder aus, wird auf der Sekundärwicklung1b des Zündtransformators1 die Zündspannung induziert. - Zumindest während des Zündimpulses schaltet die Zündsteuereinheit
12 den durch einen Halbleiter gebildeten elektronischen Schalter14 leitend, so dass der Zündstrom diesen passieren kann. Der Zündstrom passiert das Entkopplungsbauteil5 , welches als Diode ausgeführt ist, in Durchlassrichtung und lädt den Messspannungsspeicherkreis40 , der durch ein spannungsstabilisierendes Bauteil3 parallel zu einem Kondensator4 gebildet ist, auf. Der Zündstrom passiert des weiteren die Zündelektrode2 , die Bestandteil einer Zündkerze ist und fließt über den Massepfad9 und den elektronischen Schalter14 zur Sekundärwicklung des Zündtransformators zurück. Nach Beendigung des Funkenüberschlags an der Zündelektrode2 und Abbrechen des Zündstroms schaltet die Zündsteuereinheit12 den durch einen Halbleiter gebildeten elektronischen Schalter14 sperrend, so dass der Einfluss der noch im Zündtransformator1 verbleibenden Restenergie auf die nun folgende Ionisationsmessung unterdrückt wird und somit die Zündrestspannung vom Ionisationsmesskreis30 abgekoppelt ist. - Die Ionisationsmessung vollzieht sich im Ionisationsmesskreis
30 , in dem der durch den Zündimpuls aufgeladene Messspannungsspeicherkreis40 , gebildet durch die Elemente3 und4 , die Messspannung über die Ionisationsmesswiderstände6 und7 an die Zündelektrode anlegt. - In der Verbrennungsphase wird das Plasma im Brennraum zwischen der Zündelektrode
2 und der Brennraummasse elektrisch leitfähig, es fließt ein Ionisationsstrom, der als Spannungsabfall über die Widerstände6 und7 gemessen werden kann. An Anschluss8 ist während der Ionisationsmessphase eine dem Ionisationsstrom proportionale Spannung abgreifbar, während des Zündvorganges ist an Anschluss8 eine der Zündspannung proportionale Spannung abgreifbar. -
2 zeigt ein Schaltbild mit der Möglichkeit zur Funkensteuerung. Mit Hilfe einer Funkensteuerung besteht die Möglichkeit, die im Zündtransformator1 befindliche Restenergie während der Zündung durch eine an den Zündtransformator1 angeschaltete Senke so gesteuert abzuleiten, dass der Zündfunke erlischt. Damit wird dem Brennraum61 zur Zündung des Gemisches eine definierte Zündenergie bei einer definierten Brenndauer des Zündfunkens zugeführt. Als vorteilhafte Ausführung sind zwei Leistungshalbleiter20 und14 im Primärstrompfad21 des Zündtransformators1 verschaltet. - Zur Einbringung von Energie in den Zündtransformator
1 werden durch die Zündsteuereinheit beide Leistungshalbleiter20 und14 leitend geschaltet, der Primärstrom passiert dabei auch die im Primärstrompfad21 befindliche Diode23 . Zur Erzeugung der Zündspannung wird im Anschluss daran der Leistungshalbleiter20 sperrend geschaltet, die Sekundärwicklung des Zündtransformators wird durch den leitend geschalteten Leistungshalbleiter14 an Bezugspotential gelegt, und die induzierte Zündspannung wird über die Ionisationsmessschaltung30 zur Zündelektrode2 geleitet. Zur Beendigung des Zündfunkenbrennens wird durch die Zündsteuereinheit12 der Leistungshalbleiter14 gesperrt und der Leistungshalbleiter20 leitend geschaltet. Die Diode22 und der Leistungshalbleiter20 bilden einen Kurzschluss für die Restenergie des Zündtransformators1 . Der gesperrte Leistungshalbleiter14 entkoppelt dann den Zündtransformator1 von der Ionisationsmessschaltung30 und die folgende Ionisationsmessung wird sehr exakt. - Der Widerstand
24 kompensiert eine Signalverfälschung durch parasitäre Kapazitäten parallel zur Schaltstrecke des Leistungshalbleiters14 . - In einer vorteilhaften Ausgestaltung bei der Ansteuerung der Leistungshalbleiter
14 und20 durch die Zündsteuerung12 erfolgt in der Funkenausschaltphase die Sperrung des Leistungshalbleiters14 eine kurze Zeitspanne vor Öffnung des Leistungshalbleiters20 ; die parasitäre Kapazität des Leistungshalbleiters14 wird dabei vorgeladen. - In
3 ist der Ionisationsmesskreis durch Entkopplungsmittel5 ,62 vom Zündtransformator1 entkoppelt. Der während des Funkenüberschlages durch die Zündelektrode2 fließende Zündstrom passiert die Entkopplungsmittel5 ,62 und lädt den Messspannungs-Speicher3 ,4 im Ionisationsmesskreis auf. Nach Beendigung des Funkenüberschlages entkoppeln die Entkopplungsmittel5 ,62 den Ionisationsmesskreis, bestehend aus dem Kondensator4 , dem Varistor3 , einem Vorwiderstand6 und einem Messwiderstand7 , von der Zündrestspannung. - Der Ionisationsmesskreis besteht dazu aus mindestens einer Messspannungs-Speichereinheit
3 ,4 , einem Ionisationsmesswiderstand6 ,7 und der im Brennraum61 angeordneten Zündelektrode2 , die als Ionisationssensor verwendet wird. - Die Messspannungs-Speichereinheit
3 ,4 besteht in vorteilhafter Weise aus der Parallelschaltung eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere Kondensators4 , und einem spannungsbegrenzenden Bauteil, insbesondere Varistor3 oder Zenerdiode. - In der Phase, in der der Zündstrom fließt, wird die Messspannungs-Speichereinheit
3 ,4 über den Zündstrom auf- bzw. nachgeladen, die Ladespannung wird mit Hilfe des spannungsbegrenzenden Bauteils3 auf dessen Schwellwert stabilisiert. - In der nachfolgenden Verbrennungsphase liegt die aufgeladene Messspannungs-Speichereinheit
3 ,4 über einer Messwiderstandskombination6 ,7 an der Zündelektrode2 an. Ein dem Ionisationsstrom proportionaler Spannungsabfall kann als Ionisationssignal am Messwiderstand7 abgegriffen und weiterverarbeitet werden. - Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Messwiderstandskombination ist die Reihenschaltung von Widerständen
6 ,7 zur Erhöhung der Gesamtimpedanz, wobei das Ionisationssignal in vorteilhafter Weise über dem an Schaltungsmasse angeschalteten Widerstand7 abgegriffen wird. - Dieses Ionisationssignal wird im folgenden in der Auswerteeinheit
50 weiterverarbeitet. Hier kann es auch hinsichtlich verbrennungsrelevanter Größen ausgewertet werden. - Ein Entkopplungsmittel entkoppelt den Einfluss der Zündrestspannung vom Ionisationsmesskreis, in dem in vorteilhafter Weise der Ionisationsmesskreis über ein spannungsbegrenzendes Bauteil
5 vom Zündtransformator1 getrennt ist. Des Weiteren können auch Bauteile parallel zur Sekundär- oder Primärseite des Zündtransformators1 geschaltet werden, die ein Abklingen der Zündrestspannung beschleunigen. Dies geschieht in vorteilhafter Weise durch den Widerstand62 . - Die Diode
60 in Reihe mit der Sekundärwicklung1b des Zündtransformators1 sperrt positives Potential am Ausgang des Zündtransformators1 , welches sich ohne die Diode schon beim Anlegen der Primärspannung an die Primärwicklung1a des Zündtransformators1 einstellen würde, was aber unerwünscht ist.
Claims (21)
- Verfahren zum Erfassen verbrennungsrelevanter Größen in der Verbrennungsphase einer Verbrennungskraftmaschine mittels einer mit einem Zündimpuls beaufschlagten Zündelektrode, mit einem Ionisationsmesskreis und zur Ionisationsmessung mit einer wenigstens im Anschluss an die Zündung an die Zündelektrode angelegten Messspannung, wobei der Ionisationsmesskreis (
30 ) zwischen dem Zündspannung führenden Anschluss (1c ) der Sekundärseite (1b ) des Zündtransformators (1 ) und der Zündelektrode (2 ) geschaltet ist und zwischen einem Bezugspotential (9 ) und einem dem Bezugspotential (9 ) zugeordneten Anschluss (1d ) der Sekundärseite (1b ) des Zündtransformators (1 ) ein elektronischer Schalter (14 ) geschaltet ist, der durch eine Steuereinheit (12 ) während eines Zündimpulses zur Weiterleitung eines Zündsignals leitend geschaltet wird und zumindest während der Ionisationsmessphase sperrend geschaltet wird. - Verfahren nach Anspruch 1, enthaltend den Verfahrensschritt, dass die Steuereinheit (
12 ) den elektronischen Schalter (14 ) zumindest während der Dauer der Abschaltung des Zündimpulses sperrend schaltet, wobei die Steuerelektronik mit Mitteln (20 ,22 ) zur Abschaltung des Zündimpulses durch niederimpedante Belastung der Primärwicklung (1a ) des Zündtransformators (1 ) ausgestattet ist. - Verfahren nach Anspruch 2, enthaltend den Verfahrensschritt, dass die Steuereinheit (
12 ) den elektronischen Schalter (14 ) schon kurz vor der Abschaltung des Zündimpulses sperrend schaltet. - Schaltung zur Erfassung verbrennungsrelevanter Größen einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Ionisationsmesseinrichtung, und mindestens einem Ionisationsmesswiderstand, der an einen Messspannungsspeicherkreis geschaltet ist, wobei der Messspannungsspeicherkreis (
40 ) zwischen dem Zündspannung führenden Anschluss (1c ) der Sekundärseite (1b ) eines Zündtransformators (1 ) und einer Zündelektrode (2 ) geschaltet ist und ein elektronischer Schalter (14 ) zwischen einem Bezugspotential (9 ) und dem dem Bezugspotential (9 ) zugeordneten Anschluss (1d ) der Sekundärseite (1b ) des Zündtransformators (1 ) geschaltet ist. - Schaltung nach Anspruch 4, wobei eine weitere Entkoppeleinrichtung (
5 ) zwischen dem die Zündspannung führenden Anschluss (1c ) der Sekundärseite (1b ) des Zündtransformators (1 ) und der Ionisationsmessschaltung (30 ) geschaltet ist. - Schaltung nach Anspruch 5, wobei die Entkoppeleinrichtung (
5 ) eine Diode, eine Zenerdiode, ein Varistor oder eine Kombination dieser Bauteile ist. - Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Messspannungsspeicherkreis (
40 ) aus einer Parallelschaltung eines spannungsstabilisierenden Bauelementes (3 ) und einem spannungsspeichernden Bauelement (4 ) besteht. - Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der elektronische Schalter (
14 ) über Koppelbauelemente (23 ) an den Strompfad (21 ) des Primärkreises des Zündtransformators (1 ) angekoppelt ist. - Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei zwischen dem dem Bezugspotential (
9 ) zugeordneten Anschluss (1d ) der Sekundärseite (1b ) des Zündtransformators (1 ) und dem Ionisationsmessausgang (8 ) ein Koppelelement (24 ) zur Kompensation geschaltet ist. - Schaltung nach Anspruch 9, wobei das Koppelelement (
24 ) ein Widerstand, eine Widerstands- und Kondensator-Kombination oder eine Verstärkerstufe ist. - Zündtransformator mit einer Schaltung zur Erfassung verbrennungsrelevanter Größen einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Ionisationsmesseinrichtung, und mindestens einem Ionisationsmesswiderstand, der an einen Messspannungsspeicherkreis geschaltet ist, wobei der Messspannungsspeicherkreis (
40 ) zwischen dem Zündspannung führenden Anschluss (1c ) der Sekundärseite (1b ) eines Zündtransformators (1 ) und einer Zündelektrode (2 ) geschaltet ist und ein elektronischer Schalter (14 ) zwischen einem Bezugspotential (9 ) und dem dem Bezugspotential (9 ) zugeordneten Anschluss (1d ) der Sekundärseite (1b ) des Zündtransformators (1 ) geschaltet ist. - Schaltung zum Erfassen verbrennungsrelevanter Größen in der Verbrennungsphase einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, mittels einer mit einem Zündimpuls beaufschlagten Zündelektrode, mit einem Ionisationsmesskreis, bestehend aus. wenigstens einem Messwiderstand, wobei der Ionisationsmesskreis wenigstens eine Messspannungs-Speichereinheit (
3 ,4 ) aufweist, an die Zündelektrode (2 ) angeschaltet ist und über Entkopplungsmittel (5 ,3 ) vom Zündtransformator (1 ) entkoppelt ist, wobei die Messspannungs-Speichereinheit (3 ,4 ) durch den Zündimpuls aufladbar ist und anschließend die durch den Zündimpuls aufgeladene Messspannung für den Ionisationsmesskreis zur Verfügung stellt. - Schaltung nach Anspruch 12, wobei der Messspannungsspeicherkreis (
40 ) aus einer elektrische Energie speichernden Komponente (4 ) und einer spannungsbegrenzenden Komponente (3 ) besteht. - Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 oder 13, wobei die elektrische Energie speichernde Komponente (
4 ) ein Kondensator ist. - Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, wobei die spannungsbegrenzende Komponente (
3 ) ein Varistor oder eine Zenerdiode ist. - Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Messwiderstand (
7 ) auch als Reihenschaltung von Widerständen ausgeführt sein kann. - Schaltung nach Anspruch 12, wobei das Entkopplungsmittel (
3 ,4 ) aus einer spannungsbegrenzenden Komponente besteht. - Schaltung nach Anspruch 17, wobei die spannungsbegrenzende Komponente (
3 ) ein Varistor, eine Zenerdiode, eine Funkenstrecke oder ein Gasableiter ist. - Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 18, wobei zur Dämpfung des Ausschwingverhaltens des Zündtransformators (
1 ) das Entkopplungsmittel (5 ,3 ) einen dem Zündtransformator (1 ) parallelgeschalteten Widerstand (62 ) beinhaltet. - Verfahren zur Ermittlung verbrennungsrelevanter Größen eines Verbrennungsprozesses bei Verbrennungskraftmaschinen, bei denen einzelne Verbrennungsvorgänge durch einen Zündimpuls gestartet werden und die verbrennungsrelevanten Größen in Abhängigkeit eines durch die Flamme bedingten Ionisationssignals ermittelt werden, enthaltend die Verfahrensschritte, Aufbauen eines Spannungspotenzials in einer Messspannungs-Speichereinheit (
3 ,4 ) während der Zündphase mit einem Zündstrom, und Anlegen des aufgebauten Spannungspotentials in wenigstens einer Messphase über einem Messwiderstand (7 ) an einer Zündelektrode (2 ), wobei bei Unterschreiten der Zündspannung unter eine Schwellspannung die Messspannungs-Speichereinheit (3 ,4 ) oder der Messwiderstand (7 ) von der Zündspannung entkoppelt ist. - Verfahren nach Anspruch 20, enthaltend den Verfahrensschritt, dass die dem Ionisationssignal proportionale Spannung an einem der Widerstände abgegriffen wird und an eine Auswerteeinheit (
50 ) weitergeleitet wird.
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